數(shù)字單脈沖電源在電鍍中的應(yīng)用

引言：

　　隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的日益繁榮,特別是我國(guó)加入世界貿(mào)易組織后,我國(guó)的電鍍行業(yè)遇到更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

　　電鍍,即采用電化學(xué)的方法使金屬離子還原為金屬,并在金屬或非金屬制品表面形成符合要求的平滑、致密的金屬覆蓋層。電鍍后的鍍層性能在很大程度上取代了原先基體的性質(zhì),起到了裝飾與防護(hù)的作用。隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力的提高,電鍍工藝已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

　　電流通過(guò)鍍槽是電鍍的必要條件,鍍件上的金屬鍍層就是在電流流過(guò)電鍍槽時(shí)所產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而形成的。

　　根據(jù)電鍍的基本原理,改進(jìn)電鍍質(zhì)量有兩個(gè)方法:調(diào)整電鍍?nèi)芤?改進(jìn)電鍍電源?，F(xiàn)實(shí)中人們廣泛采用改進(jìn)電鍍電源的方法來(lái)提高電鍍的性能。在電鍍電源的發(fā)展過(guò)程中,由全控型電力電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成的脈沖電源是電鍍電源的一次革命。這種電源體積小、性能優(yōu)越、紋波系數(shù)小、不易受輸出電流的影響。

　　1　脈沖電源電鍍的基本原理：

　　脈沖電源電鍍是一項(xiàng)新的電鍍技術(shù)。它的特點(diǎn)是由脈沖電流對(duì)電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的特效影響所決定的,其中最重要的是對(duì)傳質(zhì)過(guò)程中的影響。在直流電鍍時(shí),鍍液中被鍍出的金屬離子在陰極表面附近溶液中逐漸被消耗,造成了該處被鍍金屬離子與溶液中該離子的濃度出現(xiàn)差別。這種差別隨著使用的電流密度的增高而加大。當(dāng)陰極附近液層中的該離子的濃度降到0時(shí),就達(dá)到了極限電流密度,傳質(zhì)過(guò)程完全受到擴(kuò)散控制。但在脈沖電鍍時(shí),由于有關(guān)斷時(shí)間的存在,被消耗的金屬離子利用這段時(shí)間擴(kuò)散、補(bǔ)充到陰極附近,當(dāng)下一導(dǎo)通時(shí)間到來(lái)時(shí),陰極附近的金屬離子濃度得到恢復(fù),故可以使用較高的電流密度;因此脈沖電鍍時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程與直流電鍍時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程的差異,造成了峰值電流可以大大高于平均電流,促使晶體形成的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長(zhǎng)大的速度,使鍍層結(jié)晶細(xì)化,排列緊密,孔隙減小,電阻率低。并且直流電鍍時(shí)的連續(xù)陰極極化電位下的各種物質(zhì)在陰極表面上的吸脫附過(guò)程與脈沖條件下的間斷高陰極極化電位下的吸脫附過(guò)程的機(jī)理有了很大的差異,造成了同樣的溶液配方及添加劑在電源波形不同時(shí),表現(xiàn)的作用差異也很大。

　　脈沖電源其電流呈脈沖方式流動(dòng),并可在瞬時(shí)產(chǎn)生高密度電流;因此,在電鍍時(shí)能將底層均勻地涂覆到鍍件上,并使之加速,提高了效率;鍍件表面均勻、細(xì)致,使金銀等貴重金屬得到很大的節(jié)約。由此可以看出,可以調(diào)節(jié)占空比及頻率的脈沖電鍍電源,尤其是開(kāi)關(guān)電源,將隨之得到廣泛的應(yīng)用。

　　2　數(shù)字單脈沖電源硬件系統(tǒng)框架：

　　所謂數(shù)字脈沖電源,就是采用微處理器等數(shù)字電路對(duì)脈沖電源中的直流斬波進(jìn)行控制,并實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示與數(shù)字調(diào)節(jié)的一種脈沖電源。它是現(xiàn)在最先進(jìn)的電鍍電源,也是電鍍電源的發(fā)展方向。

　　數(shù)字脈沖電源一般分為雙脈沖電源與單脈沖電源兩種。

　　數(shù)字單脈沖電源的原理框圖如圖1。

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　　目前,大多數(shù)斬波系統(tǒng)利用全控型電力電子器件MOS2FET和IGBT對(duì)直流電源進(jìn)行斬波 ,達(dá)到脈沖輸出的目的。改變開(kāi)關(guān)管的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào),便可以實(shí)現(xiàn)脈寬及頻率的調(diào)節(jié)。

　　系統(tǒng)中核心的問(wèn)題是定時(shí):電鍍時(shí)間的定時(shí)以及驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的脈沖定時(shí),而且后者的定時(shí)精度直接影響輸出脈沖波形的頻率精度。同時(shí)考慮系統(tǒng)的顯示以及按鍵處理的因素,本系統(tǒng)采用了雙CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

　　雙CPU系統(tǒng)的關(guān)鍵是主從CPU的協(xié)調(diào)與通信。實(shí)現(xiàn)的條件是:

　　(1) 能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,響應(yīng)及時(shí),并能完成系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)功能;(2) 軟硬件實(shí)現(xiàn)不能過(guò)于復(fù)雜。

　　在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中,雙CPU或者多CPU系統(tǒng)的構(gòu)建通常有以下幾種形式:

　　(1) 采用雙口RAM方式;(2) 采用并口通信方式;(3) 采用串行通信方式;本系統(tǒng)采用串行通信的方式來(lái)連接。雙CPU系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖2。

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　　按照設(shè)計(jì)要求與方案,本系統(tǒng)的功能模塊有顯示、按鍵電路、復(fù)位與看門(mén)狗電路、主CPU系統(tǒng)、從CPU系統(tǒng)、斬波控制電路等。

　　(1) 主CPU系統(tǒng)：

　　主CPU系統(tǒng)主要管理顯示電路、按鍵電路、運(yùn)行狀態(tài)控制以及向從CPU 系統(tǒng)發(fā)送脈沖參數(shù)等。本CPU 選用89C52,暫停時(shí)通過(guò)P11控制暫停指示燈發(fā)光指示,喂狗信號(hào)由P10輸出。主從CPU的握手信號(hào)為R /P?？紤]到主CPU系統(tǒng)對(duì)定時(shí)的要求不高,采用6MHz主頻信號(hào)。

　　(2) 從CPU系統(tǒng)：

　　從CPU系統(tǒng)選用89C2051單片機(jī),唯一的任務(wù)是產(chǎn)生斬波所需要的脈沖信號(hào)。ATMEL公司生產(chǎn)的這種型號(hào)單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位CMOS微處理器芯片。片內(nèi)帶有2 kB的閃爍可編程及可擦除只讀存儲(chǔ)器,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集相兼容。

　　(3) 復(fù)位與看門(mén)狗電路：

　　按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行等實(shí)際情況,本系統(tǒng)的復(fù)位必須考慮三種情況:上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位及看門(mén)狗定時(shí)器溢出復(fù)位。采用MAX813L電源監(jiān)視電路。主從CPU系統(tǒng)共用復(fù)位信號(hào),當(dāng)系統(tǒng)中任何一個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行失效時(shí),必須共同復(fù)位。

　　(4) 主系統(tǒng)顯示與按鍵電路：

　　考慮到電鍍的實(shí)際生產(chǎn),顯示采用數(shù)碼管,同時(shí)為了減輕主CPU的負(fù)擔(dān),簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì),顯示與按鍵電路通過(guò)8279專(zhuān)用接口芯片與單片機(jī)相連。